Ученые впервые увидели экзотическое состояние материи — квантовую спиновую жидкость

Квантовая спиновая жидкость – это не жидкость в привычном понимании, а топологически упорядоченная материя или особое состояние магнитного материала, имеющего свойства жидкости: нестабильность и постоянную флуктуацию частиц.

В обычном магните при снижении температуры до определенного предела электроны останавливают движение и стабилизируются. Причем все спины, то есть собственные моменты импульса электронов, могут быть направлены вверх, вниз или чередоваться в шахматном порядке.

Но в квантовой спиновой жидкости электроны при охлаждении не стабилизируются, а постоянно перемещаются, что приводит к возникновению квантовой запутанности на больших расстояниях.

Возможность существования квантовой спиновой жидкости была теоретически обоснована почти 50 лет назад физиком Филипом Андерсоном, но наблюдать ее удалось лишь сейчас. В статье в журнале Science ученые из Гарвардского университета описывают моделирование экзотического состояния материи при помощи программируемого квантового симулятора. По сути, это квантовый компьютер, который помогает создать определенные схемы размещения элементарных частиц (квадрат, соты, треугольник), а также точечно влиять на электроны, изменяя направления их спинов. Это помогает изучать взаимодействия между частицами и применяется для исследования квантовых процессов.

Для получения квантовой спиновой жидкости ученые соединили 219 частиц в новый паттерн из треугольников на основе решетки кагомэ или тришестиугольной мозаики. Это нарушило упорядоченность направлений их спинов: если две частицы обладали одинаковым или противоположным направлением, то третья обязательно выбивалась из шахматного порядка. Таким образом, не произошло стабилизации спинов в одном направлении, и получился так называемый «фрустрированный» магнит. Спины электронов в нем одновременно с некоторой вероятностью находятся в разных конфигурациях, в результате чего возникает эффект квантовой суперпозиции.

Также физики измерили и проанализировали топологические струны, соединяющие элементы запутанной структуры. Это помогло понять, что между частицами произошли квантовые корреляции, а значит, в ходе эксперимента у ученых получилось создать именно квантовую спиновую жидкость.

Особые свойства нового состояния материи, в частности, возникновение запутанности на больших расстояниях, открывают перспективу его применения в квантовых компьютерах и сверхпроводниках. Например, на ее основе можно создать топологические кубиты, устойчивые к внешним помехам. Это, в свою очередь, поможет сделать квантовые компьютеры более надежными.